EP0502818B1

EP0502818B1 - Planare Antenne

Info

Publication number: EP0502818B1
Application number: EP92810116A
Authority: EP
Inventors: Richard C. Hall; John R. Sanford; Kuno Wettstein; Jean-Francois Zürcher
Original assignee: Huber and Suhner AG
Current assignee: Huber and Suhner AG
Priority date: 1991-03-06
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1997-10-01
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: US5355143A; ATE158898T1; EP0502818A1; CA2061254A1; DE59208933D1; CA2061254C; JPH04354402A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine planare Antenne, die eine Grundplatte, ein Anspeisenetzwerk mit mindestens einem Streifenleiter, eine Strahlungsplatte mit mindestens einer Koppelöffnung, eine Trägerplatte mit mindestens einem Patch und zwei dielektrische Schichten umfasst.
Eine solche planare Antenne ist beispielsweise aus der EP-A3-0 342 175 bekannt. Diese Antenne weist Strahlungselemente auf, die mit metallisierten Streifen gleicher Länge versehen sind, um die Kreuzkopplung zwischen den Arrays zu minimieren. Bei dieser Antenne sind die Koppelöffnungen U-förmig oder im Grenzfall jeweils auch zwei parallele Schlitze ausgebildet.
Es sind ferner Mikrostrip-Richtstrahlantennen bekannt, die neben wesentlichen Vorteilen bezüglich Abmessungen, Einfachheit in der Herstellung und Kompatibilität mit gedruckten Schaltungskreisen auch eine Anzahl Nachteile, wie z.B. eine schmale Bandbreite und einen niedrigen Wirkungsgrad aufweisen. Die verwendete Herstellungstechnologie genügte vielfach den erforderlichen Umweltspezifikationen nicht, so dass diese Antennenart bisher nur in beschränktem Rahmen eingesetzt wurde.
In der EP-A-0 253'128 ist eine planare Hängeleiter-Antennenanordnung beschrieben, die aufeinanderliegende Substrate zwischen einem Paar leitender Platten umfasst. Jede Platte weist beabstandete Oeffnungen auf, die Strahlungselemente definieren. Eine Anzahl Oeffnungen besitzen wenigstens eine Erregersonde auf dem Substrat. Mittels Leiterfolien werden die mit diesen Erregersonden empfangenen Signale phasengleich auf einen Hängeleiter geführt. Um die Oeffnungen herum sind Halter für das Substrat angeordnet. Damit wird das Substrat gleichmässig gestützt und kann sich nicht verformen. Eine breite Nutenpartie befindet sich auf den Leiterplatten zwischen jeweils benachbarten Oeffnungen, in der eine Anzahl Hängeleiter parallel zueinander angeformt sind.
Diese Antennenart ist für Hochfrequenz-Satellitensendungen vorgesehen. Durch den einfachen Aufbau bedingt,können Herstellungskosten bei hohen Leistungskennwerten gesenkt werden.
Bei einer derart aufgebauten Antenne ist die Strahlungscharakteristik nur keulenartig, wie es beispielsweise bei Parabolantennen aus der Radartechnik bekannt ist.
Ähnliche Methoden beschreibt ein Aufsatz in "Electromagnetics" 1989 Vol. 9, Seiten 385-393. Darin wird eine weitergehende Entwicklung beschrieben, nämlich eine Antenne, die als Streifen-Schlitz-Schaumeinlage mit invertierten Flecken aufgebaut ist (im englischen Sprachgebiet "Strip-slot-foam-inverted patch" genannt, mit der Abkürzung SSFIP).
Diese SSFIP-Antenne umfasst mehrere aufeinandergelegte Schichten, nämlich einen Mikrostrip (S-Strip) mit Viertelwellenstichleitung, eine Grundfläche mit Schlitzen (S=Slot), eine Schaumstoffschicht (F=Foam) mit geringer Dämpfung und niedriger Dielektrizitätskonstanten und schliesslich ein invertiertes strahlendes Antennenelement (IP=inverted patch) als auf eine Abdeckung gedruckte Flecke. Ein Vorteil dieser Antennenart ist die einfache Realisation von zirkularer Polarisation oder die Möglichkeit,zwei Polarisationen gleichzeitig zu betreiben.
Bei diesem Aufbau verhindert die Schaumstoffschicht eine Oberflächen-Wellenausbreitung und vergrössert die Bandbreite.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine solche SSFIP-Antenne zu verbessern, wobei der Zusammenbau eine einfachere und billigere Materialwahl erlauben soll.
Erfindungsgemäss wird dies mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Querschnittzeichnung durch eine Antenne nach der Erfindung,
Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf das Fleckenmuster,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer schmetterlingsförmigen Koppelöffnung,
Fig. 4: zwei Beispiele von Impedanzanpassungen des Streifenleiternetzwerkes an die Koppelöffnungen,
Fig. 5: eine typische Form eines breitbandig angepassten, geschlitzten Fleckens,
Fig. 6: die vertikale Ausbreitungscharakteristik bei unkorrigierter Abstrahlung,
Fig. 7: die vertikale Ausbreitungscharakteristik bei korrigierter Abstrahlung,
Fig. 8: eine Draufsicht auf eine Ausführung der Schicht eines Koppelnetzwerkes mit schlitzartigen Oeffnungen, und
Fig. 9: eine Draufsicht auf eine Ausführung der Schicht eines Verteilnetzwerkes.

Die Antenne umfasst gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine Trägerplatte 1, vorzugsweise aus Glas oder einem Faserverbundwerkstoff, auf der wenigstens ein Strahlungselement 11 als invertiertes strahlendes Antennenelement aufgedampft oder durch ein Druckverfahren aufgebracht ist. Derartige planare Strahlungselemente 11 werden auch Flecken oder Patchs genannt. Bei der bekannten Anordnung gemäss dem vorgenannten Aufsatz in "Electromagnetics" 1989, Vol. 9, Seiten 385-393, liegt hinter diesen invertierten Strahlungsflecken eine Schaumstoffeinlage. Es hat sich aber gezeigt, dass die Oberflächen-Wellenausbreitung nicht in dem erwarteten Mass auftritt, wodurch diese Schicht weggelassen werden kann. Durch das Weglassen dieser Schicht kann die nachfolgende Schlitzstrahlungsschicht näher zur Ebene der invertierten Strahlungsflecken gelegt werden. Demgegenüber sieht nun die Ausführungsform nach der Erfindung vor, zwischen einer metallischen Schicht 2 mit Strahlungsöffnungen 21 und einem Streifenleiternetzwerk 22 einerseits und zwischen letzterem und einer aus Metall oder aus auf einen Träger aufgebrachter Metallschicht bestehenden Grundplatte 3 je eine Schaumschicht 23, 24 einzubringen. Als geschäumtes Material eignet sich Polystyrol, Polypropylen oder Polyamid.
Jedenfalls soll die Schaumschicht nicht nur eine niedrige Dichte, sondern auch eine niedrige Dielektrizitätskonstante haben.
Die beiden Schaumstoffschichten 23, 24 sind vorzugsweise ungleich dick. Die jeweils dünnere Schicht 23 ist dabei koppelseitig und die dickere Schicht 24 ist zwischen dem Streifenleiternetzwerk 22 und der Grundplatte 3 angeordnet.
Die Trägerplatte 1 ist einerseits Abschluss gegen die Umwelt und trägt auf der Innenseite die elektrisch leitenden Flecken, die gemäss Fig. 2 z.B. quadratisch ausgebildet und mit regelmässigen Abständen voneinander angeordnet sein können. Diese elektrisch leitenden Flecken können aus aufgedampftem, auflaminiertem oder aufgedrucktem Metall bestehen. Das Koppelnetzwerk 2 (Fig. 8) hat jedem Flecken 11 gegenüberliegend eine schlitzartige Oeffnung (Koppelschlitz) in der metallischen Schicht. Diese Schicht 2 liegt auf der Schaumstoffschicht 23. Auf der Rückseite dieser Schicht 23 (Fig. 9) befindet sich das Verteilnetzwerk 22, mit dem die Durchstrahlungsfähigkeit der Koppelschlitze 21 gesteuert wird. Die dazu benötigten elektrischen Leitungen 22 befinden sich rückseitig der Schaumstoffschicht 23. Die Grundplatte 3 bildet einen Abschluss gegen die Umwelt. Sie besteht aus Metall oder ist als metallischer Reflektor ausgebildet.
Die Erfindung kann drei weitere Modifikationen gegenüber der SSFIP-Technologie aufweisen, welche hauptsächlich zur Vergrösserung der Bandbreite bzw. zur Verkleinerung des Reflexionsfaktors beitragen:

A. Die Oeffnungen 21 in der Strahlungsplatte 2 können nicht nur schlitzförmig, sondern auch H- und schmetterlingsförmig (Fig. 3) sein.
B. Die Stichleitungen (unter den Oeffnungen 21) im Verteilnetzwerk 22 sind impedanzmässig angepasst. Zwei Formen von solchen integral angepassten Streifenleiternetzwerken sind in Fig. 4 dargestellt.
C. Die Form der Strahlungselemente (Flecken 11) kann quadratisch, rund, rechteckig, kreuzförmig sein oder eine Reihe von gleich- oder ungleichlangen Streifen verschiedener Breite aufweisen. Ein typischer Flecken 11 in Streifenform ist in Fig. 5 dargestellt. Die Länge der verschiedenen Segmente 111 eines Fleckens 11 ist so abgestimmt, dass das Frequenzband von jedem Segment einen Teil des gewünschten gesamtfrequenzbandes überdeckt.

Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten Veröffentlichung "Electromagnetics" bestehen die Substrate nicht mehr ausschliesslich aus Teflon® oder Keramik, sondern aus kostengünstigeren Materialien. Die Schicht 1 besteht z.B. aus einfach entsorgbarem Glas. Das Glas als Abschluss gegen die Umwelt hat den grossen Vorteil, dass es widerstandsfähig gegen sämtliche schädlichen Umwelteinflüsse ist und sich, wenn nötig, leicht reinigen lässt. Auch liesse sich eine solcherart gebaute Antenne leicht und einfach in Fassaden von Hochbauten integrieren. Das Koppelnetzwerk liegt zwischen geschäumtem Material und Luft und wird in diesem Fall mit Abstandhaltern gegenüber der Schicht 1 in Position gehalten.
Die Antenne kann aus einem oder mehreren Elementen (Flecken, Patches) aufgebaut sein. Mehrere Elemente können entweder in einer Kolonne oder in mehreren nebeneinanderliegenden Kolonnen angeordnet sein.
Die übliche vertikale Abstrahlungscharakteristik gemäss Fig. 6 zeigt zwischen den einzelnen Keulen 40, 42 ausgeprägte Nullstellen 41. Die Ansteuerung der Koppelschlitze 21 durch das Verteilnetzwerk 22 erlaubt eine homogene Ausleuchtung des zu bestrahlenden Gebietes. Mit der bisherigen Antennentechnik war es auch bei den eingangs erläuterten Beispielen üblich, dass die Hauptstrahlungsrichtung senkrecht auf der Antennenebene stand, so dass für eine Ausleuchtung gemäss Fig. 6 diese Antennenebene geneigt montiert werden musste.
Der vorgeschlagene Aufbau der Antenne erlaubt nun, die Hauptstrahlungsrichtung elektrisch wenigstens in einem beschränkten Bereich auszurichten, so dass die Antennenebene unabhängig von der Hauptstrahlungsrichtung aufgestellt werden kann, wie Fig. 7 deutlich zeigt. Damit kann die Antenne auf senkrechte Mauern von Hochbauten montiert werden. Neben der zweckmässig geformten Hauptkeule 44 (Fig. 7) könnte beispielsweise ein Nebenzipfel 45 derart gerichtet und verstärkt werden, dass auch ein abgelegenes Gebiet, das von der Hauptkeule 44 nicht bestrahlt ist, ausgeleuchtet werden kann. Neben der Erzeugung einer optimierten vertikalen Abstrahlcharakteristik kann auch die horizontale Abstrahlungsrichtung in einem ca. +/- 30° beliebigen Winkel gegenüber der Senkrechten der Antennenebene erzeugt werden. Ebenfalls ist auch in der horizontalen Ebene mehr als eine beliebige Abstrahlungsrichtung möglich.
Während bisher Antennen mit einer Fläche bis etwa 30 cm auf 30 cm infolge der Beschränkung durch Kosten, Technologie und Herstellungsverfahren gebaut wurden, die sich vor allem für den Empfang mit Satelliten für Musikübertragung eigneten, können mit der vorgeschlagenen Bauart flache Antennen von 3 - 4 cm Dicke mit fast jeder beliebigen Dimension gebaut werden. Die einzigen Beschränkungen liegen einerseits in der erhältlichen Glasfläche und andererseits in der durch Siebdruck bedruckbaren Fläche.
Im Beispiel gemäss Fig. 2 sind die Flecken (Patch) quadratisch gezeichnet. Es ist aber für jeden Fachmann klar, dass auch andere geometrische Formen als Flecken möglich sind, wie beispielsweise Kreisflächen, Ellipsen oder Rechtecke oder nebeneinanderliegende Streifen.

Claims

Planare Antenne mit einem oder mehreren Antennenelementen, umfassend in der angegebenen Reihenfolge:
a) eine Grundplatte (3), die einen ersten Abschluss gegen die Umwelt bildet,

b) eine erste dielektrische Schicht (24),

c) ein Anspeisenetzwerk (22), das einen oder mehrere elektrische Streifenleiter aufweist,

d) eine zweite dielektrischen Schicht (23),

e) eine Strahlungsplatte (2) mit einer oder mehreren Koppelöffnungen (21),

f) ein oder mehrere Strahlungselemente (11) (Patches), die jeweils in einem Abstand gegenüber einer der Koppelöffnungen (21) angeordnet sind,

g) ein Trägerelement (1), das einen zweiten Abschluss gegen die Umwelt bildet, und

h) wobei die Koppelöffnurgen (21) schmetterlingsförmig oder H-förmig ausgebildet sind.
Planare Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bauart als flache Antenne mit einer Dicke im Bereich von 3-4 cm.
Planare Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Strahlungselemente eine Reihe von ungleichlangen Streifen aufweisen, deren Länge so abgestimmt ist, dass jeder Streifen einen Teil des gewünschten Frequenzbandes überdeckt.
Planare Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungselement zwei Streifen umfasst, von denen der eine länger und schmaler als der andere ist.
Planare Antenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungselement (11) geschlitzt ist.
Planare Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1) aus Glas oder einem Faserverbundwerkstoff besteht.
Planare Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese erste Schicht (24) aus Schaumstoff besteht oder eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist.
Planare Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoff Polystyrol, Polypropylen oder Polyamid ist.
Planare Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese zweite Schicht (23) zwischen den Koppelöffnungen (21) und dem Anspeisenetzwerk (22) dünner als die erste Schicht (24) ist.
Planare Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenleiter des Anspeisenetzwerks (22) Stichleitungen aufweisen, die sich unter den Koppelöffnungen (21) befinden und impedanzmässig angepasst sind.
Planare Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungselemente (Patches) auf dem Trägerelement (1) aufgebracht sind, und dass die Grundplatte (3) eine metallische Schicht aufweist.